一种影像测量设备及影像测量方法与流程

1.本发明涉及工件几何测量技术领域，特别涉及一种影像测量设备及影像测量方法。


背景技术：

2.在生产制造过程中，零部件的几何尺寸测量是不可或缺的重要环节，影像测量方法获得广泛应用。传统影像测量普遍使用面阵相机的静态图像，被测特征只占图像的一小部分，图像中有大量冗余信息。特别是对于大靶面相机，图像分辨率高，传输和处理速度慢，限制了测量效率的提高。


技术实现要素：

3.鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明提供了一种影像测量设备及影像测量方法，其通过用静态图像编制测量程序，用动态图像进行测量，利用亮度变化驱动的动态视觉传感器响应快、数据量小、传输处理速度快的优点，能够减少冗余信息，提升影像测量效率，以解决或部分解决上述技术问题。
4.本发明的第一方面，提供了一种影像测量设备，包括：
5.静态图像测量单元、动态图像测量单元、数据处理和控制单元、光源和工作台，其中，
6.所述静态图像检测单元包括第一光学镜头和静态图像传感器；
7.所述动态图像测量单元包括第二光学镜头和动态视觉传感器；
8.所述光源包括与所述第一光学镜头配合使用的第一光源、与所述第二光学镜头配合使用的第二光源、以及工作台的底光源；
9.所述工作台上设置有被测物，工作台用于控制所述被测物相对于第一光学镜头和第二光学镜头三维移动；
10.所述数据处理和控制单元用于接收并处理所述静态图像传感器和动态视觉传感器获取的图像数据，控制所述光源的开闭，以及控制所述工作台的运动。
11.进一步的，所述数据处理和控制单元包括信号处理器、光源控制器和工作台控制器；所述信号处理器用于接收并处理所述静态图像传感器、动态视觉传感器获取的图像数据；所述光源控制器用于控制所述光源的开闭；所述工作台控制器用于控制所述工作台的运动。
12.进一步的，所述工作台包括二维移动平台和调焦平台，所述被测物设置在所述二维移动平台上，所述静态图像测量单元和动态图像测量单元设置在所述调焦平台上。
13.进一步的，所述二维移动平台包括平台本体，所述底光源位于平台本体的一侧，所述平台本体的另一侧设置有玻璃工作台，所述被测物设置于所述玻璃工作台上。
14.进一步的，还包括数据存储和显示单元，用于存储和显示测量数据。
15.进一步的，所述第一光学镜头和所述第二光学镜头是同一个光学镜头。
16.本发明的第二方面，还提供了一种基于所述的影像测量设备的影像测量方法，包括：
17.控制第二光源或底光源按照预设频率和预设亮度闪烁；
18.工作台控制所述动态图像测量单元对被测物进行调焦；
19.当所述第二光源或底光源在每个闪烁周期由暗变亮时，动态视觉传感器获取被测物的被测特征的图像；
20.当所述被测特征的图像的像素亮度发生变化时，输出表示像素亮度变化的事件信号，根据所述事件信号，判断聚焦是否完成；
21.若聚焦完成，则根据所述被测特征图像的像素信息、被测特征在动态视觉传感器坐标系下的位置信息和动态视觉传感器在机台坐标系中的位置计算被测特征的尺寸信息。
22.进一步的，在第一光源或底光源的光源亮度下，工作台控制所述静态图像测量单元对标准件进行成像，获得所述标准件的第一特征图案，并记录该第一特征图案的机台坐标xs、ys、zs以及方向角θs；
23.在第二光源或底光源的光源亮度下，工作台控制所述动态图像测量单元对被测物的标准件进行成像，获得所述标准件的第二特征图案，并记录该第二特征图案的机台坐标xd、yd、zd及方向角θd；
24.根据下式计算两次成像的坐标偏差δx、δy、δz和方向角偏差δθ：
25.(δx,δy,δz,δθ)＝(xs-xd,ys-yd,zs-zd,θs-θd)；
26.所述坐标偏差和方向角偏差用于计算被测特征在动态视觉传感器坐标系下的位置信息和动态视觉传感器在机台坐标系中的位置。
27.进一步的，还包括测量前的测量程序编制步骤：
28.工作台控制所述静态图像测量单元对被测物的标准件进行成像，获得对焦清晰的被测图像，在被测图像上提取全部的被测特征，根据被测特征的参数，生成测量程序；
29.或者，
30.接收输入的标准件图纸数据，编辑标准件图纸数据中的工件尺寸参数和重点关注位置的特征参数，设定检测用参数，所述检测用参数包括光源亮度值，根据编辑好的工件尺寸参数、重点关注位置的特征参数、设定检测用参数生成测量程序，并用静态图像测量单元检验确认测量程序。
31.进一步的，所述根据所述被测特征图像的像素信息、被测特征在动态视觉传感器坐标系下的位置信息和动态视觉传感器在机台坐标系中的位置计算被测特征的尺寸信息的步骤，包括：
32.在第一位置坐标处抓取第一被测特征，所述第一位置坐标为第一被测特征图像坐标系的原点在机台坐标系下的位置坐标；
33.在第二位置坐标处抓取第二被测特征，所述第二位置坐标为第二被测特征图像坐标系的原点在机台坐标系下的位置坐标；
34.按下式分别将第一被测特征和第二被测特征上的n个点从图像坐标系变换到机台坐标系：
[0035][0036]
其中，pm为被测特征点在机台坐标系下的坐标；p为被测特征点在图像坐标系下的坐标；r为被测特征点在图像坐标系下用像素数量表示的横坐标；s为被测特征点在图像坐标系下用像素数量表示的纵坐标；α为图像坐标系与机台坐标系的夹角；xm为图像坐标系原点在机台坐标系下的横坐标；ym为图像坐标系原点在机台坐标系下的纵坐标；β为一个像素对应的尺寸，β＝像元尺寸/镜头放大倍率；m为坐标变化矩阵；
[0037]
根据最小二乘法，将第一被测特征的n个点拟合成一条直线l'1：
[0038]
ym＝axm b，
[0039]
其中a、b为一次多项式系数；
[0040]
计算第二被测特征上的n个点到直线l'1的距离di；
[0041]
计算被测特征的尺寸：
[0042][0043]
本发明提供的一种影像测量设备及影像测量方法，利用亮度变化驱动的动态视觉传感器响应快、数据量小、传输处理速度快的优点，能够减少冗余信息，提升影像测量效率。
附图说明
[0044]
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0045]
图1为本技术一个实施例提供的影像测量设备的结构组成图；
[0046]
图2为本技术一个实施例提供的影像测量设备的系统示意图；
[0047]
图3为本技术一个实施例提供的动态视觉传感器采样频率和第二光源的闪烁频率的时序图；
[0048]
图4为本技术一个实施例提供的聚焦和离焦过程中像素格亮度变化示意图；
[0049]
图5为本技术一个实施例提供的影像测量方法的程序流图；
[0050]
图6为本技术一个实施例提供的被测物在二维坐标系下方向角(或转向角)的示意图；
[0051]
图7为本技术一个实施例提供的被测特征尺寸计算示意图。
具体实施方式
[0052]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0053]
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
[0054]
应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述获取模块，但这些获取模块不应限于这些术语。这些术语仅用来将获取模块彼此区分开。
[0055]
取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。
[0056]
需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。
[0057]
参见图1、2，本实施例对影像测量设备进行详细的介绍和说明。影像测量设备包括静态图像测量单元、动态图像测量单元、数据处理和控制单元、光源和工作台71。
[0058]
具体的，静态图像检测单元包括静态光学镜头52和静态图像传感器53，其中静态光学镜头52上配置有光源51。动态图像测量单元包括动态光学镜头62和动态视觉传感器63，其中动态光学镜头62上配置有光源61。
[0059]
工作台71包括二维移动平台和调焦平台7。二维移动平台包括平台本体2，底光源1设置于平台本体2的底部一侧，平台本体2的另一侧设置玻璃工作台3，玻璃工作台3上设置被测物4。调焦平台7上设置有静态光学镜头52、动态光学镜头62、静态图像传感器53和动态视觉传感器63。工作台71在工作台控制器8的控制下，使得二维移动平台能够带动被测物4相对光学镜头52、62做x、y轴方向上的二维运动，并使得调焦平台7带动光学镜头52、62相对于被测物4做z轴方向上的一维运动，从而实现静态图像测量单元、动态图像测量单元相对于被测物4的三维运动。
[0060]
数据处理和控制单元用于接收并处理静态图像传感器53和动态视觉传感器63获取的图像数据，并控制光源1、51、61的开闭，以及控制工作台71的运动。可选的，数据处理和控制单元可以是一个集数字信号处理和逻辑控制于一体的微控制器，也可以由多个分开的控制器/处理器构成。优选的，本实施例的数据处理和控制单元由光源控制器10、静态图像处理器54、信号处理器64和工作台控制器8构成。其中，光源控制器10用于控制底光源1和光源51、61的开闭、闪烁和亮度，静态图像处理器54用于处理静态图像传感器53获取的图像数据，信号处理器64用于处理动态视觉传感器63获取的动态图像信号，工作台控制器8用于控制工作台71的三维运动。可选的，光源控制器10、静态图像处理器54、信号处理器64和工作台控制器8可以是单片机、数字信号处理器、cpld、fpga或其它嵌入式处理器，也可以是pc机、工业计算机或plc，本实施例不做限制。
[0061]
影像测量设备还包括计算显示存储器11，其用于存储并显示被测物的测量信息，并协调光源控制器10、静态图像处理器54、信号处理器64和工作台控制器8之间的逻辑配合，即计算显示存储器11的计算和逻辑控制功能可以视为数据处理和控制单元的一部分。可选的，当数据处理和控制单元为一个处理器/控制器时，或者数据处理和控制单元包括独立的逻辑模块时，或者，静态图像处理器54、信号处理器64和工作台控制器8三者之一具有逻辑协调功能时，计算显示存储器11可以只具有显示和存储功能。
[0062]
参见图3-5，本发明的另一实施例对影像测量方法的具体过程进行详细介绍和说
明。
[0063]
本发明的影像测量方法包括利用静态图像编制测量程序、动态图像执行测量程序和测量结果的显示输出三个部分。
[0064]
具体的，静态图像编制测量程序有两种方式：
[0065]
方式一：无实物，使用标准的图纸
[0066]
利用与影像测量系统配套的软件，将标准图纸导入软件内编辑，除编辑标注图纸上工件的尺寸外，还要编辑用于影像测量系统的关注特征参数(例如标注出重点关注位置)和检测用参数(比如设定光源强度)；最终在配套软件内形成一个用于在后续检测实际工件用的测量程序。
[0067]
方式二：有实物，使用一个对应实际工件的标准件
[0068]
在静态光学镜头配套光源51的设定光源亮度下，工作台控制所述静态图像测量单元对被测物4的标准件进行成像，获得对焦清晰的被测图像，在被测图像上提取全部的被测特征，配套软件根据被测特征的参数和用户的编辑设置信息，生成测量程序。
[0069]
参见图5，动态图像执行测量程序是本发明的影像测量方法的核心内容，包括如下步骤：
[0070]
步骤s101，控制第二光源或底光源按照预设频率和预设亮度闪烁；
[0071]
具体的，对于动态视觉传感器63，工作台xy二维移动时，光源常亮条件下，特征图案边缘信号明显，观察方便，很容易判断被测图像在动态视觉传感器63视野内的位置。然而，z方向上的调焦运动则不易观察，因此，本实施例控制动态视觉传感器63的光源61以时间间隔δt频闪，同时工作台71的z轴以速度v移动。
[0072]
采用上述方式是因为动态视觉传感器63通过光源61或底光源1闪烁被触发启动信息采集，光源61或底光源1以某一频率进行闪烁表现为图3中第二行的光源频率脉冲图。
[0073]
步骤s102，工作台控制所述动态图像测量单元对被测物进行调焦；
[0074]
在光源61或底光源1按照预定频率闪烁的同时，工作台71的二维移动平台在工作台控制器8的控制下沿着z轴方向进行调焦，这里的调焦指的是通过光学镜头对被测物进行聚焦和离焦调节，最终完成聚焦成像。
[0075]
步骤s103，当所述第二光源或底光源在每个闪烁周期由暗变亮时，动态视觉传感器获取被测物的被测特征的图像；
[0076]
具体的，当光源61或底光源1从暗变亮，形成上升线时，对应动态视觉传感器63被触发，从而获取当前的被测图像。
[0077]
步骤s104，当所述被测特征的图像的像素亮度发生变化时，输出表示像素亮度变化的事件信号，根据所述事件信号，判断聚焦是否完成；
[0078]
具体的，对于静态图像传感器53，离焦时特征图案边缘模糊(参见图4a)，聚焦时特征图案锐利(参见图4b)。
[0079]
对于动态视觉传感器63，光源61或底光源1每一次从暗变亮触发动态视觉传感器63时，像素变亮会输出电信号，说明此像素有亮度变化事件发生。离焦时，特征图案边缘模糊，表现为占用更多像素格，图4c中黑格为特征图案占用的像素，此部分没有亮度变化事件信息发生，而白格是未占用的像素，由于光源变亮会形成事件信息输出。聚焦时，特征图案边缘清晰，表现为占用的像素格变少，图4d中由于不断聚焦，特征图案变清晰，有亮度变化
事件输出的白格像素逐渐变多，直到完全聚焦。
[0080]
步骤s105，若聚焦完成，则根据所述被测特征图像的像素信息、被测特征在动态视觉传感器坐标系下的位置信息和动态视觉传感器在机台坐标系中的位置计算被测特征的尺寸信息。
[0081]
具体的，在计算被测特征尺寸信息时，被测特征的位置和光源亮度信息都需要转换到动态视觉传感器坐标系下(即动态图像坐标系)。
[0082]
其中，被测特征在动态视觉传感器坐标系(动态图像坐标系)中的位置，取决于动态视觉传感器与静态图像传感器的相对位置关系，包括x、y、z偏差及转角(即方向角)，参见图6，确定过程如下。
[0083]
在正式测量被测物前，进行坐标值的校准：
[0084]
a)，选取标准件，例如圆形或方形的镀铬玻璃板。
[0085]
b)，移动工作台、调整光源亮度，使特征图案在静态图像传感器中成像清晰，记录特征图案的机台坐标(xs，ys，zs)及方向角θs；
[0086]
c)，继续移动工作台、调整光源亮度，使特征图案全部进入动态视觉传感器视野范围，且成像清晰，记录特征图案的机台坐标(xd，yd，zd)及方向角θd；
[0087]
d)，计算两次成像的坐标偏差δx、δy、δz和方向角偏差δθ：
[0088]
(δx,δy,δz,δθ)＝(xs-xd,ys-yd,zs-zd,θs-θd)。
[0089]
被测特征在动态视觉传感器坐标系中的位置，根据其在静态图像传感器坐标系中的位置和偏差值δ，经坐标变换计算得出。
[0090]
需要指出的是，无论是动态还是静态的传感器，其最大光源亮度都是传感器自身可调节光源的最大阈值。光源亮度指的是实际每一次测量过程中产生的实际亮度。
[0091]
进一步的，参见图7，示例性的计算测量过程如下：
[0092]
被测尺寸为l，由两个特征l1、l2组成；xmomym为影像测量设备的机台坐标系；x1po1py1p为第一被测特征图像坐标系(即第一被测特征在动态传感器下的坐标系)，坐标原点o1p在机台坐标系xmomym中的坐标为(x1m，y1m)，图像坐标系x1po1py1p与机台坐标系xmomym的夹角为α1；x2po2py2p为第二被测特征图像坐标系(即第二被测特征在动态传感器下的坐标系)，坐标原点o2p在机台坐标系xmomym中的坐标为(x2m，y2m)，图像坐标系x2po2py2p与机台坐标系xmomym的夹角为α2；第一被测特征l1在图像坐标系x1po1py1p中被离散成n个点p1i(r,s)，r、s以像素数量表示(可以是小数，因为有亚像素存在)，同理，第二被测特征在图像坐标系x2po2py2p中被离散成n个点p2i(r,s)，i＝1,2，
…
,n。
[0093]
尺寸计算过程如下：
[0094]
(1)被测物放置在工作台上；
[0095]
(2)工作台移动，在位置1(x1m，y1m)抓取被测特征l1；
[0096]
(3)工作台移动，在位置2(x2m，y2m)抓取被测特征l2；
[0097]
(4)坐标变换，按下式将被测特征1、2上的n个点p1i、p2i从图像坐标系变换到机台坐标系：
[0098][0099]
其中，pm为被测特征点在机台坐标系下的坐标；p为被测特征点在图像坐标系下的坐标；r为被测特征点在图像坐标系下用像素数量表示的横坐标；s为被测特征点在图像坐标系下用像素数量表示的纵坐标；α为图像坐标系与机台坐标系的夹角；xm为图像坐标系原点在机台坐标系下的横坐标；ym为图像坐标系原点在机台坐标系下的纵坐标；β为一个像素对应的尺寸，β＝像元尺寸/镜头放大倍率；m为坐标变化矩阵。
[0100]
由最小二乘法，将被测特征1的n个点p1i拟合成一条直线l'1：
[0101]
ym＝axm b，
[0102]
其中a、b为一次多项式系数。
[0103]
计算被测特征2的n个点p2i到直线l'1的距离di；
[0104]
取平均，计算被测特征尺寸：
[0105][0106]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。